Ausscheidungshärten
Was ist Ausscheidungshärten?
Die Ausscheidungshärtung, auch Aushärten oder Abschreckalterung, ist eine Wärmebehandlung zum Erhöhen der Festigkeit von Legierungen. Sie beruht auf der fein verteilten Ausscheidung von metastabilen Phasen (z. B. intermetallischen Verbindungen), so dass diese ein wirksames Hindernis für Versetzungsbewegungen darstellen. Die Dehngrenze von Metallen kann so um bis zu 300 MPa angehoben werden.
Die zu behandelnde Teile werden zunächst im weichen (lösungsgeglühten) Zustand bearbeitet und dann bei relativ niedrigen Temperaturen ausscheidungsgehärtet, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Durch Änderung der Dauer und Temperatur können diese individuell beeinflusst werden.
Ausscheidungshärtung Verfahren
Die Verfahren der Ausscheidungshärtung sind entscheidend, um die gewünschten Festigkeits- und Härteeigenschaften in metallischen Legierungen zu erreichen. Jeder Behandlungsschritt erfordert eine sorgfältige Kontrolle, um eine präzise Steuerung der Materialparameter zu gewährleisten.
1. Lösungsglühen
Erster Schritt ist das Lösungsglühen. Es dient der Verminderung von Konzentrationsunterschieden der Legierungselemente durch Diffusion, vor allem der Verminderung von Gefügeinhomogenitäten innerhalb einzelner Kristalle (Mikroseigerungen).
Die Legierung wird dabei so lange erwärmt, bis sich alle zur Ausscheidung nötigen Elemente in Lösung befinden. Dabei sollte eine bestimmte Temperatur nicht unterschritten werden, da sonst grobe Teilchen bestehen bleiben, die für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nachteilig sind. Andererseits darf die eutektische Temperatur der Legierung nicht überschritten werden, da sonst Bereiche mit Anreicherungen von Legierungselementen durch Steigerungen aufschmelzen könnten.
2. Abschrecken
Durch Abschrecken kann die Diffusion und damit eine Bildung von Ausscheidungen verhindert werden. Der Mischkristall verbleibt im metastabilen übersättigten einphasigen Zustand. Dies wird durch eine Abkühlung mit mindestens der kritischen Geschwindigkeit erreicht. Als Abschreckmedium kann kaltes Wasser, temperiertes Wasser, Öl oder Druckluft dienen.
Beim Abschrecken werden viele Keime gebildet.
3. Ausscheiden
Durch ein anschließendes Auslagern bei 150 °C bis 190 °C (450 °C bis 500 °C bei Maragin-Stahl, die Temperatur hängt von der Legierung ab) wird die Diffusion beschleunigt, und der übersättigte einphasige Mischkristall wandelt sich durch die Bildung von Ausscheidungen in eine zweiphasige Legierung um:
- Die im Volumen zusammenhängende und in der Regel mit höherem Anteil auftretende Phase wird Matrix genannt
- Die neu gebildete Phase wird Ausscheidung
Die vielen kleinen Ausscheidungen sind homogen im Gefüge verteilt. Damit können die Eigenschaften des Werkstücks gezielt eingestellt werden.
Art und Geschwindigkeit der Ausscheidung hängen wie die Diffusionsgeschwindigkeit von der Temperatur ab. Keimbildung, Keimwachstum und Ausscheidungsreifung (Überalterung) können dabei angepasst werden.
Vorteile der Ausscheidungshärtung
Es gibt verschiedene Vorteile, die mit der Anwendung der Ausscheidungshärtung verbunden sind. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass die Vorteile der Ausscheidungshärtung stark von der spezifischen Legierung und den Prozessparametern abhängen.
Hier sind einige Vorteile davon:
- Wirksame Verhinderung von Versetzungsbewegungen
- Signifikante Erhöhung von Festigkeit und Dehngrenze
- Erhöhung des Widerstandes gegen plastische Verformung
Geeignete Werkstoffe
Werkstoffe, die für das Ausscheidungshärten geeignet sind, werden oft speziell entwickelt – wie Martensit aushärtende Stähle oder PH-Stahl. Es ist ein Verfahren, das häufig bei folgenden Legierungen angewendet wird:
- Aluminiumlegierungen
- Kupferlegierungen
- Nickellegierungen
- Stahllegierungen
Ausscheidungshärtung in verschiedenen Branchen
Das Ausscheidungshärten ist unabhängig einer bestimmten Branche. Entscheidend sind eingesetzter Werkstoff und die zu erzielenden mechanischen Eigenschaften im späteren Einsatzbereich des Bauteiles.
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Häufig gestellte Fragen zur Ausscheidungshärtung
Welche Werkstoffe eignen sich für die Ausscheidungshärtung?
Die Ausscheidungshärtung ist die wichtigste Möglichkeit der Festigkeitssteigerung bestimmter Aluminiumlegierungen (Aluminium-Kupfer-Legierungen und Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen), da diese keine polymorphe Umwandlung aufweisen und somit nicht durch Martensitbildung härtbar sind.
Was ist eine Streckgrenze?
Die Streckgrenze bezeichnet den Spezialfall der Elastizitätsgrenze bei einachsiger und Momenten freier Zugbeanspruchung. Die Streckgrenze ist mittels Zugversuch zu ermitteln. Bei vielen Werkstoffen ist die Streckgrenze im Zugversuch nicht eindeutig identifizierbar bzw. nicht ausgeprägt, weshalb stattdessen z. B. die 0,2-%-Dehngrenze verwendet wird.
Wie lange dauert der Ausscheidungshärtungsprozess?
Art und Geschwindigkeit der Ausscheidung hängen wie die Diffusionsgeschwindigkeit von der Temperatur ab. Dabei können folgende Aspekte angepasst werden:
- Keimbildung
- Keimwachstum
- Ausscheidungsreifung (Überalterung)
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